Genomweite Analyse der Histonmodifikationsverteilung mit der Chromatin-Immunpräzipitationssequenzierungsmethode in Magnaporthe Oryzae

Die Epigenetik ist ein Zweig der Genforschung, der sich auf die vererbbare Veränderung der Genexpression bezieht, ohne die Nukleotidsequenz von Genen zu verändern. Eine zunehmende Anzahl von Studien hat gezeigt, dass die epigenetische Regulation eine wichtige Rolle beim Wachstum und der Entwicklung eukaryotischer Zellen spielt, einschließlich Chromatin, das die Genexpression durch den dynamischen Prozess der Faltung und Dessempfle in Strukturen höherer Ordnung reguliert und beeinflusst^1,2. Chromatin-Remodeling und kovalente Histonmodifikation beeinflussen und regulieren die Funktion und Struktur von Chromatin durch die Variation von Chromatinpolymeren und erreichen dadurch die Funktion der Regulierung der Genexpression^3,4,5,6. Posttranslationale Modifikationen des Histons umfassen Acetylierung, Phosphorylierung, Methylierung, Monoubiquitinierung, Sumoylierung und ADP-Ribosylierung^7,8,9. Die Histon-H3K4-Methylierung, insbesondere die Trimethylierung, wurde an Transkriptionsstartstellen abgebildet, wo sie mit der Transkriptionsreplikation, Rekombination, Reparatur und RNA-Verarbeitung in Eukaryoten^10,11assoziiert ist.

Die ChIP-seq-Technologie wurde 2007 eingeführt und hat sich zum experimentellen Standard für die genomweite Analyse der transkriptionellen Regulation und epigenetischen Mechanismen entwickelt^12,13. Diese Methode eignet sich auf genomweiter Ebene und zur Gewinnung von Histon- oder Transkriptionsfaktor-Interaktionsinformationen, einschließlich DNA-Segmenten von DNA-bindenden Proteinen. Alle DNA-Sequenzen, die mit interessanten Proteinen vernetzt sind, werden als Teil des Chromatinkomplexes kopräzipitiert. Sequenzierungstechniken der neuen Generation werden auch verwendet, um 36-100 bp DNA zu sequenzieren, die dann mit dem entsprechenden Zielgenom abgeglichen werden.

Bei phytopathogenen Pilzen hat die Forschung kürzlich begonnen, zu untersuchen, wie Histonmethylierungsmodifikationen ihre Zielgene im Prozess der Pathogenität regulieren. Einige frühere Studien haben gezeigt, dass sich die Regulation von Histonmethylase-verwandten Genen hauptsächlich in der Genschminken und Katalyse der Produktion von Sekundärmetaboliten (SM) widerspiegelt. MoSet1 ist die H3K4-Methylase in M. oryzae. Der Knockout dieses Gens führt zur vollständigen Deletion der H3K4me3-Modifikation¹⁴. Im Vergleich zum Wildtyp-Stamm wird die Expression des Gens MoCEL7C in der Mutante im CMC-induzierten Zustand gehemmt und im nicht induzierten Zustand (Glukose oder Cellobiose) erhöhte sich die Expression von MoCEL7C ^{um 15}. In Fusarium graminearumkann KMT6 die Methylierungsmodifikation von H3K27me3 katalysieren, die normale Entwicklung von Pilzen regulieren und helfen, das “kryptische Genom” zu regulieren, das den SM-Gencluster^{16,17,18,19 enthält}. Im Jahr 2013 berichtete Connolly, dass die H3K9- und H3K27-Methylierung den pathogenen Prozess von Pilzen durch sekundäre Metaboliten und Effektorfaktoren reguliert, die die Hemmung von Zielgenen regulieren²⁰. Bei Aspergillusist die Modifikation der Histone H3K4me2 und H3K4me3 mit der Genaktivierung verbunden und spielt eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Chromatinspiegelregulation von SM-Genclustern²¹. In M. oryzaeist Tig1 (homolog zu Tig1 in Hefe und Säugetieren) eine HADC (Histon-Deacetylase)²². Der Knockout des Tig1-Gens führt zum vollständigen Verlust der Pathogenität und der Sporenproduktionsfähigkeit in der Nullmutante. Es ist empfindlicher gegenüber einer Persauerstoffumgebung, die keine infektiöse Hyphen produzieren kann²².

Die durch M. oryzae. verursachte Reisexplosion ist eine der schwersten Reiskrankheiten in den meisten Reisanbaugebieten der Welt¹⁹. Aufgrund seines repräsentativen Infektionsprozesses ähnelt M. oryzae dem Infektionsprozess vieler wichtiger pathogener Pilze. Da er leicht molekulargenetische Operationen durchführen kann, ist der Pilz zu einem Modellorganismus für die Untersuchung von Pilz-Pflanzen-Interaktionen geworden²³. Das Blockieren jedes Schritts des Infektionsprozesses von M. oryzae kann zu einer erfolglosen Infektion führen. Die morphologischen Veränderungen während des Infektionsprozesses werden durch die gesamte Genomfunktion und Die Gentranskription streng reguliert. Unter ihnen spielen epigenetische Modifikationen wie die Histonmethylierung eine wesentliche Rolle bei der transkriptionellen Regulation funktioneller Gene^24,25. Bisher wurden jedoch nur wenige Studien zum molekularen Mechanismus epigenetischer Modifikationen wie Histonmethylierung und Histonacetylierung bei der Transkription von Pathogenesegenen in M. oryzae durchgeführt. Daher wird die Weiterentwicklung des epigenetischen Regulationsmechanismus des Reisblastenpilzes während der Erforschung des vor- und nachgelagerten Regulatorischen Netzwerks dieser pathogen verwandten Gene dazu beitragen, Strategien zur Prävention und Bekämpfung von Reisexplosionen zu entwickeln.

Mit der Entwicklung funktioneller Genomik wie ChIP-seq, insbesondere in der Epigenetik, hat diese Hochdurchsatz-Datenerfassungsmethode die Chromosomenforschung beschleunigt. Mit der experimentellen Technologie ChIP-seq kann die genomweite Verteilung der Histonmethylierung (wie H3K4me3, H3K27me3, H3K9me3) in M. oryzae und anderen filamentösen Pilzen identifiziert werden. Daher kann diese Methode helfen, die molekularen Mechanismen zu klären, die zugrunde liegen, wie epigenetische Modifikationen ihre Kandidaten-Zielgene während der Pilzpathogenese in der Pflanzenpathologie regulieren.